1、信息处理的发展方向是提高信息处理的速度、可靠性和智能化程度。人工智能技术、专家系统技术、神经网络技术等都属于计算机信息处理技术的范畴。4 自动控制技术 自动控制所依据的理论是自动控制原理（包括经典控制理论和现代控制理论），自动控制技术就是在此理论的指导下对具体控制装置或控制系统进行设计；设计后进行系统仿真，现场调试；最后使研制的系统可靠地投入运行。机电一体化系统中的自动控制技术主要包括位置控制、速度控制、最优控制、自适应控制以及模糊控制、神经网络控制等。5 伺服传动技术伺服传动包括电动、气动、液压等各种类型的传动装置常见的伺服驱动系统主要有电气伺服（如步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机等）和
2、液压伺服（如液压马达、脉冲油缸等）两类。6 系统总体技术 机电一体化系统是一个技术综合体，它利用系统总体技术将各有关技术协调配合、综合运用而达到整体系统的最佳化。,2021/6/21,21,三、学科构成,2021/6/21,22,四、机电一体化系统设计方法,1.取代法 取代法就是用电气控制取代原系统中的机械控制机构。该方法是改造旧产品、开发新产品或对原系统进行技术改造常用的方法,也是改造传统机械产品的常用方法。,2021/6/21,23,2.整体设计法 整体设计法主要用于新产品的开发设计。在设计时完全从系统的整体目标出发,考虑各子系统的设计。3.组合法 组合法就是选用各种标准功能模块组合设计成
3、机电一体化系统。例如,设计一台数控机床,可以依据机床的性能要求,通过对不同厂家的计算机控制单元、伺服驱动单元、位移和速度测试单元及主轴、导轨、刀架、传动系统等产品的评估分析,研究各单元间接口关系和各单元对整机性能的影响,通过优化设计确定机床的结构组成。,2021/6/21,24,第三节 机电一体化发展方向,一、机电一体化特点1、体积小，重量轻 2、速度快，精度高3、可靠性高4、柔性好 二、发展方向1、复合化2、小型化，轻量化3、高速化4、移动化5、智能化6、层次化和系统化7、全盘化总之，性能上:向高精度、高效率、高性能、智能化方向发展；功能上：向小型化、轻型化、多功能方向发展;层次上：向系统化
4、、复合集成化方向发展。,2021/6/21,25,机械系统,机械系统是机电一体化系统的最基本要素，主要包括执行机构、传动机构和支承部件。机械的主要功能是完成机械运动，一部机器必须完成相互协调的若干机械运动。每个机械运动可由单独的控制电机、传动件和执行机构组成的若干个子系统来完成，若干个机械运动由计算机来协调与控制。第一节 机械传动系统的特性 一、机电一体化对机械传动的要求 1、高精度2、快速响应3、良好的稳定性二、机械传动系统的特性转动惯量小 摩擦小 阻尼合适 刚度大 抗振性能好 间隙小 转动惯量大会是机械负载增大、系统响应性能变慢、灵敏度降低、固有频率下降，容易谐振。同时，使电气驱动部件谐振
5、频率降低，阻尼增大。阻尼越大，最大振幅越小，衰减越快。但定位精度降低，易产生爬行；稳态误差大，精度降低。刚度大，失动量小。提高刚度可增加闭环系统的稳定性。,2021/6/21,26,第二节 机械传动装置,1 齿轮2 同步齿形带传动 3 滚珠丝杠4 滚珠花键5 谐波齿轮减速器,2021/6/21,27,提高传动精度的结构措施,提高传动精度的结构措施有：（1）适当提高零部件本身的精度；（2）合理设计传动链，减少零部件制造、装配误差对传动精度的影响3）采用消隙机构以减少或消除空程。合理设计传动链方法（1）合理选择传动型式（2）合理确定级数和分配各级传动比（3）合理布置传动链,2021/6/21,28
6、,2021/6/21,29,合理确定级数和分配各级传动比,2021/6/21,30,2021/6/21,31,2021/6/21,32,合理布置传动链,2021/6/21,33,齿轮传动间隙的消除措施由于数控设备进给系统经常处于自动变向状态，反向时如果驱动链中的齿轮等传动副存在间隙，就会使进给运动的反向滞后于指令信号，从而影响其驱动精度。因此必须采取措施消除齿轮传动中的间隙，以提高数控设备进给系统的驱动精度。1.圆柱齿轮传动（1）双片薄齿轮错齿法,2021/6/21,34,（2）偏心轴套调整法,电机1是通过偏心轴套2装到壳体上，通过转动偏心轴套的转角，就能够方便地调整两啮合齿轮的中心距，从而消
7、除了圆柱齿轮正、反转时的齿侧隙。,2021/6/21,35,（3）锥度齿轮调整法,在加工齿轮1和2时，将假想的分度圆柱面改变成带有小锥度的圆锥面，使其齿厚在齿轮的轴向稍有变化（其外形类似于插齿刀）。装配时只要改变垫片3的厚度就能调整两个齿轮的轴向相对位置，从而消除了齿侧间隙。,2021/6/21,36,2.斜齿轮传动,图7-29是垫片错齿调整法，薄片齿轮由平键和轴连接，互相不能相对回转。斜齿轮1和2的齿形拼装在一起加工。装配时，将垫片厚度增加或减少t，然后再用螺母拧紧。这时两齿轮的螺旋线就产生了错位，其左右两齿面分别与宽齿轮的齿面贴紧，从而消除了间隙。,2021/6/21,37,轴向压簧错齿调
8、整法，,其特点是齿侧隙可以自动补偿，但轴向尺寸较大，结构不紧凑。,2021/6/21,38,同步齿形带传动,同步齿形带传动，是一种新型的带传动，如图所示，它利用齿形带的齿形与带轮的轮齿依次相啮合传动运动和动力，因而兼有带传动，齿轮传动及链传动的优点，即无相对滑动，平均传动比准确，传动精度高，而且齿形带的强度高，厚度小，重量轻，故可用于高速传动；齿型带无需特别张紧，故作用在轴和轴承等上的载荷小，传动效率高，在数控机械上亦有应用。,2021/6/21,39,滚珠丝杠螺母副机构,（1）滚珠丝杠副的工作原理及特点滚珠丝杠副是一种新型的传动机构，它的结构特点是具有螺旋槽的丝杠螺母间装有滚珠作为中间传动件
9、，以减少摩擦，如图7-13所示。图中丝杠和螺母上都磨有圆弧形的螺旋槽，这两个圆弧形的螺旋槽对合起来就形成螺旋线滚道，在滚道内装有滚珠。当丝杠回转时，滚珠相对于螺母上的滚道滚动，因此丝杠与螺母之间基本上为滚动摩擦。为了防止滚珠从螺母中滚出来，在螺母的螺旋槽两端设有回程引导装置，使滚珠能循环流动。,2021/6/21,40,滚珠丝杠副的特点,1）传动效率高，摩擦损失小。滚珠丝杠副的传动效率0.920.96，比常规的丝杠螺母副提高34倍。因此，功率消耗只相当于常规的丝杠螺母副的1/41/3。2）给予适当预紧，可消除丝杠和螺母的螺纹间隙，反向时就可以消除空行程死区，定位精度高，刚度好。3）运动平稳，无
10、爬行现象，传动精度高。4）运动具有可逆性，可以从旋转运动转换为直线运动，也可以从直线运动转换为旋转运动，即丝杠和螺母都可以作为主动件。5）磨损小，使用寿命长。6）制造工艺复杂。滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度也要求高，故制造成本高。7）不能自锁。特别是对于垂直丝杠，由于自重惯力的作用，下降时当传动切断后，不能立刻停止运动，故常需添加制动装置。,2021/6/21,41,滚珠丝杠副轴向间隙的调整,（a）垫片调隙式（图7-18）通常用螺钉来连接滚珠丝杠两个螺母的凸缘，并在凸缘间加垫片。调整垫片的厚度使螺母产生轴向位移，以达到消除间隙和产生预拉紧力的目的。这种结构的特点是构造简单、可
11、靠性好、刚度高以及装卸方便。但调整费时，并且在工作中不能随意调整，除非更换厚度不同的垫片。,2021/6/21,42,（b）螺纹调隙式（图7-20）其中一个螺母的外端有凸缘而另一个螺母的外端没有凸缘而制有螺纹，它伸出套筒外，并用两个圆螺母固定着。旋转圆螺母时，即可消除间隙，并产生预拉紧力，调整好后再用另一个圆螺母把它锁紧。,2021/6/21,43,（c）齿差调隙式（图7-20）在两个螺母的凸缘上各制有圆柱齿轮，两者齿数相差一个齿，并装入内齿圈中，内齿圈用螺钉或定位销固定在套筒上。调整时，先取下两端的内齿圈，当两个滚珠螺母相对于套筒同方向转动相同齿数时，一个滚珠螺母对另一个滚珠螺母产生相对角位
12、移，从而使滚珠螺母对于滚珠丝杠的螺旋滚道相对移动，达到消除间隙并施加预紧力的目的。,2021/6/21,44,滚珠丝杠副的标注方法,循环方式 预紧方式 公称直径 基本导程 负荷滚珠总圈数 精度等级 螺纹旋向 浮动式 F 双螺母齿差预紧 C内循环 双螺母垫片预紧 D 固定式 G 预紧方式 双螺母螺纹预紧 L 单螺母变导程自预紧B 插管式 C外循环 螺旋槽式 L螺旋旋向为左、右旋，只标左旋代号为LH，右旋不标。例 CTC63103.53.5/20001600表示为插管突出式外循环（CT），双螺母齿差预紧（C）的滚珠丝杠副，公称直径63mm，基本导程10mm，负荷滚珠总圈数3.5圈，精度等级3.5级
13、，螺纹旋向为右旋，丝杠全长为2000mm，螺纹长度为1600mm。,2021/6/21,45,传感检测系统设计,第一节 传感器一、传感器分类,2021/6/21,46,二、机电一体化对检测系统的基本要求：精度、灵敏度、分辨率高；线性、稳定性和重复性好；抗干扰能力强；静、动态特性好。此外，要求体积小、质量轻、价格便宜、便于安装与维修，耐环境性能好等。三、传感器特性：静态特性：1、线性度：传感器实际特性曲线与拟合直线之间的偏差 2、灵敏度：输出变化对输入变化的比值 3、迟滞性：在正反行程期间输入输出特性曲线不重合程度 4、重复性：输入量按同一方向多次测试时所得特性曲线的不重合程度动态特性：传递函数
14、、时间响应函数、频率响应函数、脉冲响应函数。,2021/6/21,47,四、传感器选用原则,快速、准确、可靠、经济的获取信号1）足够的量程 2）与测量或控制系统匹配、转换灵敏度高3）精度适当、稳定性高4）反应速度快、工作可靠5）实用性和适应性强6）使用经济,2021/6/21,48,第二节 位移测量传感器,一、电容传感器1.变极距型电容传感器：当动极板因被测量变化而向上移动使减小时，电容量增大。注意：传感器输出特性是非线性的，规定在较小间隙变化范围内工作。2.变面积型电容传感器：原理：它与变极距型不同的是，被测量通过动极板移动，引起两极板有效覆盖面积A改变，从而得到电容的变化。这种传感器的输出
15、特性呈线性。因而其量程不受线性范围的限制，适合于测量较大直线位移和角位移。,2021/6/21,49,3变介质型电容传感器 原理结构如图。图中两平行极板固定不动，极距为，相对介电常数为的电介质以不同深度插入电容器中，从而改变电容。应用：这种电容传感器有较多的结构形式，可以用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度，也可以用来测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体的物质的湿度。,2021/6/21,50,二、电感式传感器将被测量转换为电感量变化的装置。变换原理：电磁感应原理。按变换方式的不同分为自感型（可变磁阻式与涡流式）与互感型（差动变压器）。1、自感型（一）可变磁阻式,1线圈 2铁心 3衔铁 由此可见：
16、只要改变空气隙厚度或改变气隙截面积，即可改变线圈的电感量。改变空气隙厚度传感器输出特性是非线性的，规定在较小间隙变化范围内工作。,2021/6/21,51,（二）涡流式原理：金属板在交变磁场中的涡电流效应。金属板置于一线圈附近，相互间距为。当线圈中有高频交流电流通过时，便产生磁通。此交变磁通通过相邻近的金属板，金属板上便产生感应电流，这种电流在金属体内是闭合的，称为涡流。这种涡流将产生交变磁通1，根据楞次定律，涡流的交变磁场与线圈的磁场变化方向相反。由于涡流磁场的作用使原线圈的等效阻抗发生变化，变化程度与距离有关。影响因素：线圈与金属板间距离；金属板的电阻率；磁导率；线圈激磁园频率等。变化线圈
17、与金属板间距离，可作为位移、振动测量。变化金属板的电阻率、磁导率，可作为材质鉴别或探伤等。可用于动态非接触测量。用作涡流式位移计、振动测量仪、无损探伤仪、测厚仪等。特点：结构简单，使用方便，不受油污等介质的影响。,2021/6/21,52,2、互感型：差动变压器式 原理：将被测位移转换成线圈互感变化。1、输出交流电压、幅值与铁心位移成正比。只反映铁心位移大小，不反映移动极性。2、零点残余电压。原因：两次级线圈结构不对称；初级线圈铜损电阻、铁磁材质不均匀、线圈间分布电容等形成。铁心处在中间位置时，输出不为零。解决办法：后接电路。位移测量仪。,2021/6/21,53,光栅,光栅是一种新型的位移检
18、测元件，它的持点是测量精确高、响应速度快和量程范围大等。,2021/6/21,54,2021/6/21,55,把指示光栅平行地放在标尺光栅上面，并且使它们的刻线相互倾斜 一 个很小的角度，这时在指示光栅上就出现几条较粗的明暗条纹，称为莫尔条绞。它们是沿着与光栅条纹几乎成垂直的方向排列，如图3-18所示。,2021/6/21,56,2021/6/21,57,主光栅和被测物体相连，他随被测物体的直线位移而产生位移。当主光栅产生位移时，莫尔条纹便随着产生上、下位移，若用光电器件记录下莫尔条纹通过某点的数目，便可知主光栅移动的位移，也就测得了被测物体的位移量。,2021/6/21,58,感应同步器,在
19、两个相对放置的板上刻有如图所示的绕组，当在滑尺的两个绕组中分别加上激励电压时，则在定尺绕组中就产生感应电势，其幅值决定于绕组的相对位置。,2021/6/21,59,2021/6/21,60,2021/6/21,61,2021/6/21,62,2021/6/21,63,2021/6/21,64,光电编码器,将机械转动的模拟量转换成旋转角度的数字电信号，进行角位移检测的传感器称为编码器。编码器的种类很多，根据检测原理，它可以分为电磁式、电刷式、电磁感应式及光电式等。由于光电编码器具有非接触和体积小的特点，且分辨率很高，在旋转一周内已能产生数百万个脉冲，因此，它是目前应用最为广泛的一种编码器。光电编
20、码器在数控机床、机器人的位置控制、机床进给系统的控制以及角度的测量、通讯及自动化控制等方面部发挥着重要的作用。,2021/6/21,65,2021/6/21,66,2021/6/21,67,第三节 速度、加速度传感器,一、直流测速机 直流测速机是一种测速元件，实际上它就是台微型的直流发电机。直流测速机的持点是输出斜率大、线性好，但由于有电刷相换向器，构造和维护比较复杂，摩擦转矩较大。测速机的结构有多种，但原理基本相同。图所示为永磁式测速机原理电路图。恒定磁通由定子产生，当转子在磁场中旋转时，电枢绕组中即产生交变的电势，经换向器和电刷转换成与转子速度成正比的直流电势。直流测速机在机电控制系统中，
21、主要用作测速和校正元件。在使用中，为提高检测灵敏度、尽量把它连接到电机轴上，有的电机本身就已安装了测速机。,2021/6/21,68,2021/6/21,69,二、光电式转速传感器,光电式转速传感器是由装在被测轴（或与被测轴相连接的输入轴）上的带缝隙圆盘、光源、光电器件及指示缝隙盘组成，如图3-25所示。光源发出的光通过缝隙圆盘和指示缝隙照射到光电器件上。当缝隙圆盘随被测轴转动时，由于圆盘上的缝隙间距与指示缝隙的间距相同，因此圆盘每转一周，光电器件输出与指示缝隙数相等的电脉冲，根据测量时间t内的脉冲数N，可测出转速为 n=60N/ZtZ一一圆盘 上的缝隙数；n转速（rmin）；t测量时间（s）
22、。,2021/6/21,70,第四节 位置传感器,位置传感器和位移传感器不一样，它所测量的不是一段距离的变化量，而是通过检测，确定是否已到某一位置。因此、它只需要产生能反映某种状态的开关量就可以了。位置传感器分接触式和接近式两种。所谓接触式传感器就是能获取两个物体是否己接触的信息的一种传感器；而接近式传感器是用来判别在某一范围内是否有某物体的一种传感器。一、接触式位置传感器 这类传感器用微动开关之类的触点器件便可构成。二、接近式位置传感器 接近式位置传感器按其上作原理主要分：电磁式；光电式；静电容式；气压式；超声波式。其基本工作原理可用图338表示出来。,2021/6/21,71,接近传感器在
23、工业自动化控制、航天、航海技术、日常生活中都有广泛的应用。在安全防盗方面，如资料、财会、仓库、博物馆、金库等重要场合也都装有各式各样的接近传感器。在一般工业生产自动控制中大都采用涡流式或电容式接近传感器。在环境比较好的场合，可采用光电式接近传感器。而在防盗系统中，大都使用红外热释电接近传感器、超声波接近传感器和微波接近传感器。有时为了提高识别的可靠性，几种接近传感器可以复合使用。,2021/6/21,72,图325是生产线工件计数装置的示意图。接近传感器设置在工件传送带的一侧，当传送带运行时，一个个工件经过接近传感器，当工件靠近接近传感器时，传感器输出脉冲开关信号，该信号可直接送往计数器进行计
24、数。,2021/6/21,73,第五节 传感器信号处理,2021/6/21,74,测量放大器,在许多检测技术应用场合传感器输出的信号往往较弱，而且其中还包含工频、静电和电磁耦合等共模干扰，对这种信号的放大就需要放大电路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输入阻抗。习惯上将具有这种特点的放大器称为测量放大器或仪表放大器。,2021/6/21,75,程控增益放大器,经过处理的模拟信号，在送入计算机进行处理前，必须进行量化，即进行模拟一数字变换，变换后的数字信号才能为计算机接收和处理。当模拟信号送到模数变换器时为减少转换误差一般希望送来的模拟信号尽可能大，如采用AD变换器进行模数转换时，在AD
25、输入的允许范围内，希望输入的模拟信号尽可能达到最大值；然而，当被测参量变化范围较大时，经传感器转换后的模拟小信号变化也较大，在这种情况下、如果单纯只使用一个放大倍数的放大器，就无法满足上述要求；在进行小信号转换时，可能会引入较大的误差。为解决这个问题，工程上常采用通过改变放大器增益的方法，来实现不同幅度信号的放大，如万用表、示波器等许多测量仪器的量程变换等。选择不同的开关闭合，即可实现增益的变换。如果利用软件对开关闭合进行选择，即可实现程控增益变换。,2021/6/21,76,图为利用AD521测量放大器与模拟开关结合组成的程控增益放大器，通过改变其外接电阻RG的办法来实现增益控制。,2021
26、/6/21,77,隔离放大器 在有强电或强电磁干扰的环境中，为了防止电网电压等对测量回路的损坏，其信号输入通道采用隔离技术，能完成这种任务，具有这种功能的放大器称为隔离放大器。,2021/6/21,78,传感器接口技术,2021/6/21,79,2021/6/21,80,2021/6/21,81,2021/6/21,82,2021/6/21,83,2021/6/21,84,2021/6/21,85,2021/6/21,86,2021/6/21,87,2021/6/21,88,控制电动机及其选择计算第一节 执行元件分类,2021/6/21,89,2021/6/21,90,气压系统与液压系统的比较
27、,（1）空气可以从大气中取之不竭且不易堵塞；将用过的气体排入大气，无需回气管路处理方便；泄漏不会严重的影响工作，不污染环境。（2）空气粘性很小，在管路中的沿程压力损失为液压系统的干分之一，易于远距离控制。（3）工作压力低可降低对气动元件的材料和制造精度要求。（4）对开环控制系统，它相对液压传动具有动作迅速、响应快的优点。（5）维护简便，使用安全，没有防火、防爆问题；适用于石油、化工、农药及矿山机械的特殊要求。对于无油的气动控制系统则特别适用于无线电元器件生产过程，也适用于食品和医药的生产过程。气压系统与电气、液压系统比较有以下缺点：（1）气功装置的信号传递速度限制在声速范围之内，所以它的工作频率和响应速度远不如电气装置并且信号产生较大失真和延迟，也不便于构成十分复杂的回路。但这个缺点对生产过程不会造成困难。（2）空气的压缩性远大干液压油的收缩性，精度较低。（3）气压传动的效率比液压传动还要低，且噪声较大。（4）工作压力较低，不易获得大的推力。气压传动出力
